Grundlage 5G

Die Bezeichnung "5G" bezieht sich auf die Definition der ITU für ein Mobilfunk-System der 5. Generation. Hierfür treibt die Standardisierungsorganisation 3GPP (3rd Generation Partnership Project) mit der Initiative IMT-2020 (International Mobile Telecommunication) ihre 5G-Implementierung voran. Parallel dazu arbeiten auch andere Standardisierungsgremien, darunter das IEEE und die ITU, an einer 5G-Spezifikation.

5G ist als Überbegriff zu verstehen, das verschiedene Netze, Technologien und Anwendungen umfasst. Neben den 3GPP-Mobilfunk-Standards gibt es auch Standards von anderen Hersteller und Organisationen mit ähnlicher Zielsetzung.

5G hat wenig mit dem klassischen Mobilfunk zu tun, wie wir ihn bislang kennen. Ein einheitliches 5G-Netz gibt es nicht. Zu unterschiedlich sind die Anforderungen an das Netz. Zum Beispiel von Sensornetzbetreibern, die Automobilwirtschaft und Smart-City-Architekten.

Es existiert vielmehr eine ganze Familie von Funktechniken für unterschiedliche Anforderungen und unterschiedlichen Zugangsmöglichkeiten. Es wird eine Vielzahl neuer Geschäftsmodelle in vertikalen Branchen erwartet. Hier herrscht ein Umfeld in dem viel anwendungsorientiert integriert werden muss. Es herrscht eine regelrechte Goldgräberstimmung in der Mobilfunkbranche.

Anforderungen an die 5G-Mobilfunktechnik

• Maximalgeschwindigkeit (20 GBit/s)
• Minimierung der Signallaufzeit (Latenz)
• große Menge an gleichzeitig versorgten Geräten pro Fläche
   

Übertragungstechnik für 5G-Mobilfunk (3GPP)

5G-Mobilfunk basiert auf LTE der 3GPP. Im Release 15 vom Sommer 2018 wurde die 5G-Phase 1 abgeschlossen. Das Release 16 für die 5G-Phase 2 soll erst im Dezember 2019 fertig werden. Für erste Anwendungen muss man mit 2 Jahren Verzögerung rechnen. Also 2020 und 2021.

 

Netzarchitektur der 5G-Mobilfunk (3GPP)

Um mehr Kapazität im Frequenzspektrum zu bekommen, bedarf es einer höheren Netzdichte. Damit mehr Teilnehmer eine brauchbare Geschwindigkeit bekommen, muss das Netz mit Mikro-, Pico- und Femtozellen betrieben werden.
 

• Small Cells: Besonders kleine Funkzellen in stark frequentierten Gebieten mit Frequenzbereichen, die ungünstige Ausbreitungsbedingungen haben.

• Mesh-Network: Mobilfunkgeräte agieren als Relay-Stationen für andere Geräte mit schlechtem Empfang.

• Software Defined Networking (SDN): Flexibleres Backbone-Netz.

• Device-to-Device-Kommunikation: Mobilfunkgeräte kommunizieren innerhalb einer Funkzelle direkt miteinander und entlasten so die Basisstation.

Die Welt wird zunehmend kabellos, aber gleichzeitig setzen die Funknetze auf die Leistungsfähigkeit eines dahinterliegenden Festnetzes. Aus ökonomischer Sicht und der Verfügbarkeit werden bestehende Glasfaserzugangsnetze (PON-FTTx/FTTH), die eigentlich für Internet-Zugänge für private und gewerbliche Kunden gedacht sind, auch als Versorgungsnetz für das 5G-Mobilfunknetz dienen.

In diesem Zusammenhang bekommt Fixed Mobile Convergence eine völlig neue Bedeutung.

Frequenzbereiche für 5G-Mobilfunk

Grundsätzlich können 5G-Mobilfunknetze in allen Frequenzbereichen laufen, die noch für 2G, 3G, und 4G im Einsatz sind oder waren.
 

• 700 MHz

• 2 GHz

• 3,4 bis 3,8 GHz

• 24,5 bis 27,5 GHz

• 31,8 bis 33,4 GHz

• 40,5 bis 43,5 GHz

Da der Frequenzbedarf weiter wächst, vergibt die Bundesnetzagentur freie oder frei werdende Frequenzbereiche neu. Durch Re-Farming werden bereits vergebene Frequenzen für 5G die Betriebserlaubnis erteilt. Die Netzbetreiber dürfen also selber entscheiden, welche Mobilfunktechnik sie einsetzen wollen.
 

• Das Auslaufen der UMTS-Frequenzen im 2-GHz-Band Ende 2020 und 2025 ermöglicht die Vergabe dieser Frequenzen ab 2021 und 2026 für 5G (insgesamt 60 MHz).

• Weltweit existiert das brach liegende 3,5-GHz-Band, das von der veralteten WiMax-Technik hinterlassen wurde.

• Ab 2022 werden 300 MHz im 3,6-GHz-Band verfügbar.

• Frequenzen im Bereich zwischen 3,7 und 3,8 GHz.

• Der mmWave-Bereich (Millimeterwellen) startet bei 24 GHz und reicht bis 52,6 GHz hinauf. Möglicherweise kommen Teile aus dem Bereich 64 bis 86 GHz hinzu.
   

Die meisten für 5G vorgesehenen Frequenzen (3,5 GHz, 26 GHz und darüber) sind wegen der physikalischen Ausbreitungsbedingungen der Funksignale nur für eine geringe Reichweite geeignet. Allerdings verfügen diese Frequenzbereiche eine hohe Bandbreite. Mit Femto-Zellen lassen sich Mobilfunk-Hotspots mit sehr hohen Datentaten betreiben. Das heißt, es bedarf mehr Basisstationen. So kann es sein, dass irgendwann Straßenlaternen nicht nur Licht, sondern auch Zugang zu mobilem Gigabit-Internet liefern.

Die Frequenzen in den Bereichen zwischen 3,7 GHz und 3,8 GHz sowie bei 26 GHz sollen lokale und regionale Funknetze die Mobilfunkversorgung im ländlichen Raum verbessern. Das bedeutet, Unternehmen können eigene lokale (grundstücksbezogene) 5G-Netze entsprechend ihren eigenen Anforderungen aufbauen. Industrielle Betreiber können somit unabhängig vom 5G-Ausbau über Verfügbarkeit, Vertraulichkeit und Integrität ihrer Daten entscheiden.

5G-Anforderungsprofile

Die Internationale Fernmeldeunion (ITU-R) hat drei Anwendungsgruppen definiert.
 

• Enhanced Mobile Broadband (eMBB)‌: Mobiler Breitbandzugang mit hohen Datenraten und geringen Signallaufzeiten (Latenzen).

• Massive Machine Type Communication (mMTC): Anwendungen mit sporadischen und geringen Datenmengen. Einfache und kostengünstig herzustellende Geräte mit geringer Stromaufnahmen. In der Regel vernetzte Sensoren und fernauslesbare Zähler.

• Ultra Reliable and Low Latency Communication (URLLC): Anwendungen mit hohen Datenmengen, die Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und sehr geringe Signallaufzeiten (Latenzen) voraussetzen. Fernsteuerung von Maschinen und Anlagen, Echtzeitsteuerung von kritischen Abläufen in der Produktion und den Energienetzen und autonom fahrenden Fahrzeugen.
   

5G-Mobilfunk-Anwendungen (Anforderungsprofile)

5G ist eine wichtige mobile Plattform für die vernetzte Gesellschaft, die unterschiedliche Breitbandanforderungen erfüllen muss. Nicht wenige erwarten eine industrielle Revolution.
Von der 5G-Mobilfunktechnik wird viel erwartet. Man geht davon aus, dass 5G die Voraussetzungen für zukünftige Anwendungen schafft.
 

• Digital Home

• Industrie 4.0

• Internet der Dinge

• eHealth und mHealth

• Mobile-TV / 5G-Broadcast

• Echtzeitkommunikation (taktile Kommunikation)

• Autonomes Fahren
   

Allerdings schwebt über allen diesen Anwendungen das Problem, dass sie manchmal nicht in die Tat umgesetzt werden, weil es schlicht an menschlichen Interessenten fehlt.

Industrie 4.0 / Internet der Dinge

In einem 5G-Mobilfunknetz stellen Smartphones den kleinsten Teil der Geräte dar. Die meisten technischen Leistungsmerkmale, die in der 5G-Technik stecken, zielen auf Endgeräte, die der Vernetzung von Maschinen und Sensoren dienen. Mobilfunk bildet somit das kommunikative Rückgrat des Internets der Dinge.

Autonomes Fahren

Eine geringe Latenz innerhalb der Übertragungsnetze ermöglicht erst das autonome Fahren. Denn selbstfahrende Autos müssen in weniger als einer Millisekunde die richtigen Entscheidungen treffen können, wenn sie mit den vielen Sensoren, die den Stadtverkehr der Zukunft vernetzt, kommunizieren.

5G-Broadcast / Mobile-TV

Das Mobilfunknetz mit Rundfunk zum Empfang von Radio und TV zu vereinen gibt es bereits seit UMTS. Auf dem ersten Blick scheinen Mobilfunk und Rundfunk gut zusammenzupassen. Doch egal wie man es dreht und wendet, für die Rundfunkübertragung wurden die Mobilfunknetze nicht konzipiert.

So kann man alle Versuche, Mobilfunk und Rundfunk via DVB-H, DMB, MediaFLO und viele weitere Verfahren zu vereinen, als gescheitert ansehen.
Mit 5G gibt es eine Neuauflage, 5G Today genannt, um die großflächige TV-Übertragung via 5G umzusetzen.